地鐵深基坑支護結構變形預測分析與應用摘 要:隨地鐵深基坑施工的進行,為確保施工安全,都采取降水措施,深基坑側面土體由于失水而導致其物理力學性狀不可避免的發生變化,因此基坑側面土體的ｍ值也是不斷變化的。利用現場監測的深基坑支護結構變形信息資料,結合參數優化反分析土體ｍ值,根據現場地質資料和優化后的參數通過有限元計算對深基坑支護系統進行變形預測,及時調整開挖方案和支護參數,此方法可以有效地指導基坑施工,使得基坑圍護結構的變形始終處于可控制狀態,以確保施工安全。關鍵詞:深基坑;反分析;變形預測;支護結構1引言 以變形大小作為控制手段的深基坑動態設計方法正受到人們的普遍重視,因為支護結構的變形是基坑開挖過程中支護結構與土相互作用的直觀反映,又是支護設計應用于現場實際,與現場地質和施工情況的相互作用的具體反映,如果能根據支護周圍土體參數和支護結構的相關參數事先預測支護結構的變形量,將最不利情況的預測值作為控制支護結構變形的警戒值,將對保證基坑安全施工具有重要的意義。 利用深基坑支護開挖過程中所獲工況的監測信息,采用優化反分析來反演土體及支護結構力學參數,然后通過有限元計算預測下一工況的樁墻變形量、內力及支撐力,把計算值作為支護結構的控制值,通過根據現場實際調整施工方案和支護參數,隨著施工的進行,繼續采集下一施工階段的相應信息,進行參數反演,計算預測下一工況的樁墻變形量等,如此反復循環,提高預測值精確度。2預測原理 預測原理實際上是先做反分析,然后再做正分析,即以每一工況位移監測信息為基礎,選擇適當的土體力學模型及相應的邊界條件,然后建立目標函數,利用優化方法來搜索與實測值逼近的土體參數及支護結構力學參數,然后把這里參數用于下一步工況的計算參數,再對支護體系變形進行預測,結合監測對支護體系變形進行控制。2.1 建立目標函數 以基坑開挖的每一工況監測信息為基礎的反分析方法目標函數一般為:
式中ｕｃｉ(ｘ)為支護結構上測點ｉ的水平位移的計算值,ｕｔｉ為支護結構上測點ｉ的水平位移的實測值;ｘ表示土體的ｍ值、支撐剛度系數、樁墻剛度等;ｎ為測點總數。2.2 樁體任意處位移計算支護結構的位移計算采用彈性地基梁有限元法,計算的最終結果是單元節點處的內力及變形,而實測點的位置可能不在節點處,為了反映施工過程的動態響應,以及目標函數值的求解,需要給出監測點任意位置設置和任意施工階段的監測信息增量,則任一單元上測點ｉ的水平位移ｕｃｉ可用線性插值法求得,計算公式為:式中,ｘ1,ｘ2分別為測點ｉ所在單元兩端點的坐標;ｕｃ1,ｕｃ2分別為ｉ點所在單元兩端點的水平位移計算值;ｕｃｉ為測點ｉ的水平位移;ｘｉ為測點ｉ的坐標(坐標原點為樁墻頂點)。2.3 監測數據采集現場測量樁體傾斜的測斜儀按0.5ｍ點距由下往上逐點進行讀數,即將測斜管分成了ｎ個測段(見圖1),每個測段的長度ｌｉ=500ｍｍ,在某一深度位置上所測得的兩對導輪(ｌｉ)之間的傾角θｉ,通過計算可得到這一區段的變位△ｉ。計算公式為:Δｉ=ｌｉｓｉｎθｉ(3)某一深度的水平變位值δｉ可通過區段變位△ｉ的累計得出,即: 計算時假定管底作為基準點,由下而上累計計算某一深度的變位值δｉ,直至管頂,然后再根據測得的該點樁頂位移對水平變位值進行修正。但是不論基準點設在管頂或管底,計算變位值δｉ總以向基坑側變位為正,反之為負。將在圍護結構中同一測斜管的不同深度處所測得的變位值δｉ,點在坐標紙上連接起來,便可繪制出樁體的水平變位(Ｈ～δｉ)曲線。2.4數據優化處理(1)現場監測的數據常常由于測量儀器、操作人員、施工狀態或測點受到干擾破壞等各種情況而引起監測點數不夠理想、不夠充足,常求助于拉格朗日插值或樣條函數插值的方法進行數據處理。(2)由于環境及人為讀數引起的誤差在實際監測過程中無法避免,為了消除這種誤差對反分析結果的精度影響,必須對監測數據進行平滑處理,具體過程見參考文獻[3]3工程應用 天津地鐵營口道車站3號線基坑埋深14.753ｍ,采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁外加水泥攪拌樁止水帷幕的圍護型式,灌注樁規格為Φ1000@1200,樁長25.6ｍ,基坑在壓頂梁中心高度位置及往下3.75ｍ、6.75ｍ和11.15ｍ處共設四道Φ600×14ｍｍ的鋼管橫支撐,土的物理性質如表1所示。 該工程地處繁華市區,周圍分布有重要建筑及電纜、煤氣管和水管等多根管線。挖土和施工步驟如圖2所示:工況1為開挖-3.0ｍ處,工況2為在-0.5ｍ處架設第一道支撐,工況3開挖到-6.8ｍ處,工況4為在-3.75ｍ處架設第二道支撐,工況5為開挖到-10.7ｍ處,工況6為在-6.75ｍ處架設第三道支撐,工況7為開挖到坑底-14.75ｍ處,工況8為在-11.15ｍ處建設第四道支撐。本文限于篇幅,只介紹工況3、工況6與工況8預測曲線與實測曲線進行對比說明。 基坑開挖時對變形預測的方法為以工況3的監測信息為基礎,反演土體參數ｍ值。根據反演出的參數來預測工況6的墻體變形量。又以同樣的方法,依據工況6的監測信息,反演土體參數ｍ值,據此預測工況8的墻體變形量。反演確定的參數值如表2。工況3與工況6的實測與預測曲線對比見圖3。工況8的預測與實測曲線見圖4。 說明1:圖中3-1為按照設計規范和經驗值預測變形曲線,3-2為現場監測實際測量變形曲線,3-3為反分析之后參數優化之后的變形曲線, 6-1為工況6預測變形曲線。 說明2:如圖4,其中6-1為工況3時預測曲線,6-2為實測變形曲線,8-1為預測曲線,8-2為實測曲線。 由圖3和圖4可見,根據監測資料進行反演之后的預報誤差由工況3利用經驗值預測與實測的最大誤差3.75ｍｍ,降低到工況6的預測最大誤差為3.1ｍｍ,隨著利用現場監測資料的進一步反演、優化參數,工況8的預測誤差為2.2ｍｍ,預測變形曲線也越來越與實測變形曲線相擬和。土體的地基反力比例系數ｍ值是隨開挖過程而不斷變化的,應用反演方法可以較準確的反演不同工況下的ｍ值,同時能以上一工況的開挖信息,較準確的預測下一步工況的樁體變形,而且預測的曲線擬和程度很好,預測的精度大大增加。4結論(1)基坑開挖維護結構變形預測方法在天津地鐵深基坑的施工應用中是比較準確的,是成功的。(2)經過維護結構參數反演和優化,能夠準確預測維護結構的最大變形,預測值可以作為警戒值指導施工。(3)參數優化反分析技術,根據現場監測信息資料,可以較準確的反演各工況下與實際相符的土體參數及支護結構力學參數,通過上一工況的優化反演參數值對下一工況不僅可以作出較準確的變形預測,而且變形預測曲線與實測曲線也擬和得很好。(4)在基坑開挖過程中,土體參數隨開挖過程而不斷變化,通過實驗及經驗確定的土體參數及支護結構力學參數,具有較大的隨機性,因此依據初始取值來預測墻體側向位移是不夠精確的。參考文獻:[1] 陳忠汗等著,邵華.深基坑工程[Ｍ].北京:機械工業出版社.1999.10[2] 崔江余等著.建筑基坑工程設計計算與施工[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1999.11[3] 現代應用數學手冊編委會.運籌學與最優化理論卷[Ｍ].北京:清華大學出版社.1998[4] 龔曉南等著.深基坑工程設計施工手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1998
式中ｕｃｉ(ｘ)為支護結構上測點ｉ的水平位移的計算值,ｕｔｉ為支護結構上測點ｉ的水平位移的實測值;ｘ表示土體的ｍ值、支撐剛度系數、樁墻剛度等;ｎ為測點總數。2.2 樁體任意處位移計算支護結構的位移計算采用彈性地基梁有限元法,計算的最終結果是單元節點處的內力及變形,而實測點的位置可能不在節點處,為了反映施工過程的動態響應,以及目標函數值的求解,需要給出監測點任意位置設置和任意施工階段的監測信息增量,則任一單元上測點ｉ的水平位移ｕｃｉ可用線性插值法求得,計算公式為:式中,ｘ1,ｘ2分別為測點ｉ所在單元兩端點的坐標;ｕｃ1,ｕｃ2分別為ｉ點所在單元兩端點的水平位移計算值;ｕｃｉ為測點ｉ的水平位移;ｘｉ為測點ｉ的坐標(坐標原點為樁墻頂點)。2.3 監測數據采集現場測量樁體傾斜的測斜儀按0.5ｍ點距由下往上逐點進行讀數,即將測斜管分成了ｎ個測段(見圖1),每個測段的長度ｌｉ=500ｍｍ,在某一深度位置上所測得的兩對導輪(ｌｉ)之間的傾角θｉ,通過計算可得到這一區段的變位△ｉ。計算公式為:Δｉ=ｌｉｓｉｎθｉ(3)某一深度的水平變位值δｉ可通過區段變位△ｉ的累計得出,即: 計算時假定管底作為基準點,由下而上累計計算某一深度的變位值δｉ,直至管頂,然后再根據測得的該點樁頂位移對水平變位值進行修正。但是不論基準點設在管頂或管底,計算變位值δｉ總以向基坑側變位為正,反之為負。將在圍護結構中同一測斜管的不同深度處所測得的變位值δｉ,點在坐標紙上連接起來,便可繪制出樁體的水平變位(Ｈ～δｉ)曲線。2.4數據優化處理(1)現場監測的數據常常由于測量儀器、操作人員、施工狀態或測點受到干擾破壞等各種情況而引起監測點數不夠理想、不夠充足,常求助于拉格朗日插值或樣條函數插值的方法進行數據處理。(2)由于環境及人為讀數引起的誤差在實際監測過程中無法避免,為了消除這種誤差對反分析結果的精度影響,必須對監測數據進行平滑處理,具體過程見參考文獻[3]3工程應用 天津地鐵營口道車站3號線基坑埋深14.753ｍ,采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁外加水泥攪拌樁止水帷幕的圍護型式,灌注樁規格為Φ1000@1200,樁長25.6ｍ,基坑在壓頂梁中心高度位置及往下3.75ｍ、6.75ｍ和11.15ｍ處共設四道Φ600×14ｍｍ的鋼管橫支撐,土的物理性質如表1所示。 該工程地處繁華市區,周圍分布有重要建筑及電纜、煤氣管和水管等多根管線。挖土和施工步驟如圖2所示:工況1為開挖-3.0ｍ處,工況2為在-0.5ｍ處架設第一道支撐,工況3開挖到-6.8ｍ處,工況4為在-3.75ｍ處架設第二道支撐,工況5為開挖到-10.7ｍ處,工況6為在-6.75ｍ處架設第三道支撐,工況7為開挖到坑底-14.75ｍ處,工況8為在-11.15ｍ處建設第四道支撐。本文限于篇幅,只介紹工況3、工況6與工況8預測曲線與實測曲線進行對比說明。 基坑開挖時對變形預測的方法為以工況3的監測信息為基礎,反演土體參數ｍ值。根據反演出的參數來預測工況6的墻體變形量。又以同樣的方法,依據工況6的監測信息,反演土體參數ｍ值,據此預測工況8的墻體變形量。反演確定的參數值如表2。工況3與工況6的實測與預測曲線對比見圖3。工況8的預測與實測曲線見圖4。 說明1:圖中3-1為按照設計規范和經驗值預測變形曲線,3-2為現場監測實際測量變形曲線,3-3為反分析之后參數優化之后的變形曲線, 6-1為工況6預測變形曲線。 說明2:如圖4,其中6-1為工況3時預測曲線,6-2為實測變形曲線,8-1為預測曲線,8-2為實測曲線。 由圖3和圖4可見,根據監測資料進行反演之后的預報誤差由工況3利用經驗值預測與實測的最大誤差3.75ｍｍ,降低到工況6的預測最大誤差為3.1ｍｍ,隨著利用現場監測資料的進一步反演、優化參數,工況8的預測誤差為2.2ｍｍ,預測變形曲線也越來越與實測變形曲線相擬和。土體的地基反力比例系數ｍ值是隨開挖過程而不斷變化的,應用反演方法可以較準確的反演不同工況下的ｍ值,同時能以上一工況的開挖信息,較準確的預測下一步工況的樁體變形,而且預測的曲線擬和程度很好,預測的精度大大增加。4結論(1)基坑開挖維護結構變形預測方法在天津地鐵深基坑的施工應用中是比較準確的,是成功的。(2)經過維護結構參數反演和優化,能夠準確預測維護結構的最大變形,預測值可以作為警戒值指導施工。(3)參數優化反分析技術,根據現場監測信息資料,可以較準確的反演各工況下與實際相符的土體參數及支護結構力學參數,通過上一工況的優化反演參數值對下一工況不僅可以作出較準確的變形預測,而且變形預測曲線與實測曲線也擬和得很好。(4)在基坑開挖過程中,土體參數隨開挖過程而不斷變化,通過實驗及經驗確定的土體參數及支護結構力學參數,具有較大的隨機性,因此依據初始取值來預測墻體側向位移是不夠精確的。參考文獻:[1] 陳忠汗等著,邵華.深基坑工程[Ｍ].北京:機械工業出版社.1999.10[2] 崔江余等著.建筑基坑工程設計計算與施工[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1999.11[3] 現代應用數學手冊編委會.運籌學與最優化理論卷[Ｍ].北京:清華大學出版社.1998[4] 龔曉南等著.深基坑工程設計施工手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1998
